Spettrofotometria infrarossa (IR)

Quasi tutte le molecole hanno uno spettro d’assorbimento caratteristico nella zona IR. La lunghezza d’onda delle bande d’assorbimento dipende dai legami presenti nella molecola e sono caratteristici di ogni sostanza o gruppo di sostanze simili. Gli spettri di assorbimento IR forniscono informazioni sui gruppi funzionali ed i finger prints delle molecole. In questo modo, l’identificazione di un composto si realizza per mezzo di uno spettro nel quale si visualizza la posizione, la forma e l’intensità relativa delle bande, successivamente si confronteranno gli spettri ottenuti con quelli dei materiali di riferimento conosciuti. La spettroscopia IR si basa sull’interazione tra la radiazione elettromagnetica dell’IR ed i sistemi molecolari. Stimolando una molecola, cioè i suoi livelli energetici, con radiazione IR, si provocano salti quantici di energia vibrazionale (λ fra 3 e 25μm) e rotazionale (λ fra 25 e 200μm), variando così i suoi movimenti rispettivamente di vibrazione e di rotazione. L’energia vibrazionale è in relazione principalmente, con i movimenti di stiramento, cioè variazione della distanza fra gli atomi e di deformazione, ossia variazioni degli angoli di legame, torsioni. Quando si manda un raggio di radiazione IR attraverso un campione, il raggio lo attraversa, il campione assorbe radiazione in funzione della lunghezza d’onda e l’intensità della luce trasmessa verrà diminuita. L’assorbimento della luce a diversi numeri d’onda corrisponde allo stimolo dei livelli energetici della molecola, con stati quantici energetici vibrazionali oppure rotazionali. Raccogliendo ed analizzano in uno spettrofotometro la luce trasmessa, si ottiene uno spettro costituito da bande d’assorbimento caratteristiche del tipo di sostanza esaminata.

Lo strumento utilizzato è uno spettrofotometro a trasformata di Fourier che si basa sul principio che una sorgente emette una radiazione IR, la cui intensità viene attenuata nel passaggio attraverso il campione alle frequenze corrispondenti all’eccitazione degli stati vibrazionali della molecola. La radiazione residua viene registrata da un rilevatore e trasformata in uno spettro IR, ovvero un grafico nel quale essa viene correlata al numero d’onda (o frequenza). La sorgente di radiazione infrarossa è costituita da un tubo

ceramico che, riscaldato elettricamente, emette radiazioni nella regione del MIR (middle infrared da 4000 a 200 cm-1), nella quale ricadono la maggior parte delle transizioni vibrazionali delle molecole e quindi dei modi molecolari dei solidi.

Lo spettrofotometro IR in trasformata di Fourier presenta un interferometro, in questo dispositivo la radiazione proveniente dalla sorgente incide su uno specchio semitrasparente (beamsplitter) che ne trasmette il 50% ad uno specchio fisso, mentre la restante parte viene riflessa verso uno specchio mobile, compiendo in tal modo percorsi di lunghezza variabile in funzione dello spostamento dello specchio. Le radiazioni provenienti dai due bracci dell’interferometro vengono rinviati al beamsplitter, il quale ricongiunge i due raggi e li invia al rilevatore; avendo essi compiuto un diverso cammino ottico, si creano delle interferenze costruttive o distruttive che generano un segnale, l’interferogrammma, che contiene le informazioni spettrali (frequenza e intensità) riguardanti la sorgente. Eseguendo il procedimento matematico dalla trasformata di Fourier, si converte l’interferogramma in un tradizionale spettro IR: si passa in tal modo da un segnale d’intensità in funzione del tempo ad uno spettro che rappresenta la variazione dell’intensità del segnale in funzione del numero d’onda della radiazione. Gli spettrofotometri FT-IR sono monoraggio, la tecnica FT-IR rende infatti inutile la suddivisione del fascio in raggio campione e di riferimento. Il campione e il riferimento sono allocati su una slitta che li porta nel cammino ottico uno dopo l’altro; dal confronto tra gli spettri, ricavati dai rispettivi interferogrammi, viene elaborato lo spettro IR della sostanza in esame. L’esecuzione di tale analisi genera uno spettro che può essere registrato in trasmittanza o in assorbanza: la prima è il rapporto tra l’intensità della radiazione trasmessa dal campione e l’intensità della radiazione incidente sul campione, la seconda è definita come il logaritmo decimale dell’inverso della trasmittanza. Nel caso in cui si lavora in ATR, si raccoglie, in modo equivalente, lo spettro della luce riflessa dal campione. Lo spettro presenta una sequenza di bande di assorbimento, ciascuna delle quale corrisponde ad una frequenza assorbita; la posizione della banda, definita dal numero d’onda, dipende dalla forza del legame e dalla massa ridotta del gruppo o della molecola vibrante, l’intensità è legata alla variazione del momento di dipolo e la larghezza e la forma della banda sono condizionati dall’entità

dell’interazione del gruppo con il suo intorno. Nello spettro infrarosso, in genere registrato nel range compreso tra 4000 a 200 cm-1, si distinguono tre zone principali: zona dei gruppi funzionali (da 4000 a 1300 cm-1) che comprende le bande d’assorbimento dovute agli stiramenti dei legami con l’idrogeno, ai legami doppi e tripli; la zona delle impronte digitali o "finger printing" (da 1300 a 650 cm-1) che è la porzione di spettro dove non è possibile trovare due composti che abbiano lo stesso spettro, poiché in questa zona si registrano gli assorbimenti dovuti alle vibrazioni totali di tutta la molecola (vibrazioni di scheletro) e pertanto caratteristiche di ogni molecola; l’ultima zona (da 650 a 200 cm-1) è detta zona del lontano IR e comprende i legami di atomi pesanti, deformazioni di gruppi privi d’idrogeno e vibrazioni di scheletro.

Per eseguire le analisi è stata utilizzata direttamente le polvere macinata, ed è stato utilizzato uno spettrofotometro “Perkin Elmer Spectrum 100”.

3.7 Colorimetria

L’analisi colorimetrica è necessaria ogni qual volta si vuole dare una comunicazione precisa del colore, in quanto permette di riuscire a determinare la colorazione di un oggetto, di un materiale, in modo indipendente dalla percezione soggettiva. Il colore rappresenta un criterio diagnostico molto importante, infatti, può essere considerato espressione di diverse variabili come ad esempio la quantità di sostanza organica presente, la natura dei minerali presenti, l’ossidazione e la riduzione del ferro e la porosità.

La colorimetria è una disciplina che definisce e misura in modo oggettivo il colore apparente di sorgenti luminose e oggetti illuminati, esprimendo in modo univoco i dati misurati sotto forma di coordinate definite spazi cromatici. È noto che uno stesso colore osservato da più persone può essere interpretato e chiamato in modo differente a causa della variazione delle condizioni quali sorgenti luminose diverse, osservatori diversi, dimensioni diverse e così via. L’unico modo per stabilire con precisione il colore di un oggetto è la misurazione dello stesso con un colorimetro o uno

spettrofotometro, strumenti in grado di rilevare anche le più piccole variazioni di colore che l’occhio umano non riesce a distinguere. La percezione del colore è dovuta all’interazione della luce con la materia. La luce è un fenomeno ondulatorio di natura elettromagnetica ed è costituito da varie lunghezze d’onda che formano lo spettro elettromagnetico diviso in diversi intervalli, tra i quali ricadono le onde della radiazione del visibile, compreso tra 400 e 750 nm; l’occhio umano percepisce solo questa porzione dello spettro, che è in grado di stimolare la retina e di dare la visione del colore. I parametri che consentono di caratterizzare univocamente il colore in considerazione del tipo di luce incidente sono:

- tono cromatico o tinta, legato alla lunghezza d’onda dominante, individua il colore con cui viene visto un oggetto (rosso, giallo, blu, ecc.);

- saturazione o croma, vivacità del colore, ne definisce la purezza, cioè la sua distanza dal colore grigio di uguale luminosità; quindi se la saturazione di una tinta è intensa il colore risulta molto vivo se invece è debole il colore tenderà ad essere meno vivo e di conseguenza acromatico.

- luminosità, intensità della sensazione, che determina il grado di luminosità di un colore ossia la sua posizione tra i due estremi bianco e nero.

Questi tre parametri sono riuniti in modo da creare un solido tridimensionale, in cui la tinta è rappresentata sul cerchio esterno del solido, la saturazione è disposta sul raggio orizzontale, mentre la luminosità è distribuita sull’asse centrale. Inizialmente, lo spazio colorimetrico più utilizzato, era quello basato sui valori di tristimolo X, Y, Z, (Yxy) che non teneva conto della luminosità. Per questo motivo la CIE (Commission Internationale pour l’Eclairage) ha introdotto lo spazio colorimetrico CIELAB (L*a*b*), nel quale viene incluso il parametro della luminosità.

La misura del colore può essere eseguita per mezzo di uno spettofotometro che consente di misurare le coordinate cromatiche e le componenti spettrali delle lunghezze d’onda del colore misurato. Lo spettofotometro è composto da una sorgente di illuminazione composta da tre lampade allo Xe pulsate ad alta intensità e formate da una geometria di riflettanza pari a d/8, con illuminazione diffusa/oss.8°, e con misurazione contemporanea dei parametri SCI (rilevazione del colore con componente

speculare inclusa) e SCE (rilevazione del colore con componente speculare esclusa) Da un’area di misura della riflettanza, costituita da maschere intercambiabili che ricevono la radiazione luminosa emessa dall’oggetto di misura, rilevata da una sfera di integrazione ricoperta interamente da BaSO4 e da un sistema di rivelazione composto da doppio arry a fotoidi di silicio avente un reticolo olografico piatto che analizza la radiazione in un campo spettrale che riesce a misurare le lunghezze d’onda del visibile (360 – 740 nm), con una risoluzione di 10 nm. Successivamente all’acquisizione degli spettri i calcoli vengono eseguiti con appositi software.

In tale lavoro l’analisi colorimetrica è stata eseguita per mezzo di uno spettofotometro “Konica Minolta CM 2600”.